763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 1

Transkriptio

1 763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 1 1. Risteävät lentokoneet Lentokone lentää maahan kiinnitetyn koordinaatiston K suhteen nopeudella u ˆx. Oheisessa kuvassa se on kuvattuna kolmena peräkkäisenä tasavälisenä ajanhetkenä. Piirrä sama kuva nähtynä toisesta ylilentävästä koneesta, jolla on sama nopeus mutta suuntaan ŷ. Osoittaako piirtämässäsi kuvassa koneen nokka sen etenemissuuntaan? y x 2. Galilein muunnos Oulujoessa vesi virtaa nopeudella v ja fysiikan opiskelijan uintinopeus veden suhteen on c (c > v). Käyttäen Galilein muunnosta, tutki mikä on uimarin nopeus (u ja u ) sekä maahan sidotussa koordinaatistossa K että veden mukana kulkevassa koordinaatistossa K kun hän ui a) suoraan vastavirtaan, b) suoraan myötävirtaan, c) lyhyintä reittiä joen yli ja d) nopeinta reittiä joen yli. Katsotaan Oulujokea Linnanmaalta päin, jolloin idealisoitu joki ja virtaussuunta siinä ovat kuvan mukaiset. y x 3. Valon nopeuden mittaus a) Tanskalainen astronomi Ole Römer arvioi valon nopeuden vuonna 1676 perustuen havaintoon että Jupiterin kuiden pimennykset eivät näyttäneet tapahtuvan tasavälisesti. Ne näyttivät tapatuvan jonkin verran aikaisemmin silloin kun Maa oli kiertoradallaan lähellä Jupiteria verrattuna siihen että Maa oli (puolta vuotta myöhemmin) kaukana Jupiterista. Arvioi millä tarkkuudella Römerin täytyi pystyä pimennysten ajat määrittämään kun Maan keskietäisyys Auringosta =1 AU m ja Jupiter on noin 5 AU:n päässä Auringosta.

2 b) Vuonna 1849 ranskalainen Hippolyte Fizeau mittasi valon nopeuden maanpäällisessä kokeessa (kuva), missä rattaan pyöriessä sopivalla nopeudella se ehti pyörähtää juuri yhden hampaanvälin kun valo kulkee sen läpi peilille ja palaa takaisin. Laske millä taajuudella (käytä laatua hammasta/sekunti) hampaiden täytyy pyöriä kun peilin ja rattaan välinen etäisyys oli 8 km. (kuva: Brews ohare) c) Puheluita voidaan välittää geostationaarisella kiertoradalla (korkeus km) olevan satelliitin kautta. Kuuleeko tästä aiheutuvan viiveen satelliittipuheluissa? 4. Maxwellin yhtälöiden aaltoratkaisu Sijoita yrite Maxwellin yhtälöihin E = E 0 ŷ sin(k(x ct)) B = B 0 ẑ sin(k(x ct)). (1) E = ρ ɛ 0 (2) E = B t (3) B = 0 (4) B = E µ 0 ɛ 0 t + µ 0j. (5) Osoita että tämä on yhtälöiden ratkaisu tyhjiössä (ρ = 0 ja j = 0) ja kun valitaan k 0 ja E 0 0, saadaan c = 1 ɛ0 µ 0, (6) ja ehto E 0 :n ja B 0 :n välille. (Vihje: Maxwellin yhtälöt käsitellään myöhemmin sähkömagnetismin kurssilla. Tässä on tarkoitus käsitellä näitä yhtälöitä puhtaasti matemaattisesti, jonka pitäisi onnistua Fysiikan matematiikkaa -kurssin pohjalta.)

3 763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 2 1. Lorentzin hypoteesi Selittääkseen Michelsonin ja Morleyn kokeen, Lorentz esitti hypoteesin jonka mukaan kappaleet (ja kaikki muutkin etäisyydet) lyhenevät liikesuunnassaan pituuteen l = l 0 1 v 2 /c 2. Tässä l 0 on kappaleen pituus eetterin lepokoordinaatistossa ja v kappaleen nopeus eetterin suhteen. Liikesuuntaa vastaan kohtisuorissa suunnissa hän oletti kappaleen mittojen pysyvän muuttumattomina. Osoita että Lorentzin hypoteesillä voidaan selittää Michelsonin ja Morleyn kokeen tulos. 2. Lorentzin muunnoksen ominaisuuksia x = γ(x vt) y = y z = z t = γ(t vx/c 2 ). missä γ = 1/ 1 v 2 /c 2 ja v < c. (7) a) Johda Lorentzin muunnoksen käänteismuunnos ratkaisemalla x, y, z ja t kaavoista (7). b) Osoita että myös koordinaattien erotukset x = x 2 x 1, t = t 2 t 1 muuntuvat Lorentz-muunnoksissa kuten koordinaatit, ts. x = γ( x v t), t = γ( t v x/c 2 ). c) Osoita että suure c 2 ( t) 2 ( x) 2 säilyy muuttumattomana Lorentzin muunnoksessa. 3. Lorentzin muunnos numeerisesti a) Tapahtuman koordinaatit koordinaatistossa K ovat x = 1 km ja t = 0. Laske tapahtuman koodinaatit koordinaatistossa K, johon nähden K liikkuu yhteisen x akselin suuntaan nopeudella 300 m/s (noin äänen nopeus ilmassa). Vertaa tulosta Galilein muunnoksella saataviin koordinaatteihin. Vastaukseksi riittää taskulaskimesi antama tarkkuus. b) Sama kuin edellä mutta K liikkuu nopeudella 0.2c. c) Tapahtuman koordinaatit koodinaatistossa K ovat x = 0 ja t = s (noin yksi vuosi). Laske tapahtuman koodinaatit koordinaatistossa K, johon nähden K liikkuu yhteisen x akselin suuntaan nopeudella 0.2c. Vertaa tulosta Galilein muunnoksella saataviin koordinaatteihin. 4. Tupla aikaväli Laske suoraan Lorentz-muunnoksista: kaksi tapahtumaa sattuu samassa paikassa aikavälin ollessa 1 h. Mikä on tapahtumien välinen paikkaero koordinaatistossa missä aikaero on 2 h?

4 763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 3 1. Ajan venyminen Lentokone kiertää maata nopeudella 300 m/s. Montako vuotta kuluu ennen kuin kellonaika lentokoneessa eroaa maan ajasta yhdellä sekunnilla? (Käytä hyväksesi Taylorin sarjaa. Maan pyörimistä ei oteta huomioon.) 2. Nopeat opiskelijat Hetkellä t = 0 laboratoriotöitä tekevä opiskelija K lähettää lasersäteen 1 m päässä (x-akselilla) olevaan mittalaitteeseen, jossa syttyy merkkilamppu. Opiskelija L juoksee mittalaitteen ohi x-akselin suuntaisesti, ja hänen koordinaatistonsa kellojen mukaan kokeeseen kuluu vain puolet K:n havaitsemasta ajasta. Mikä on L:n nopeus? Myös opiskelija M juoksee kokeen ohi, ja hänen mielestään kokeeseen kuluu kaksi kertaa niin kauan kuin K havaitsee. Mikä on M:n nopeus? 3. Majakan ohitus Tähtienvälinen rahtialus, jonka lepopituus on 300 m, lähestyy kotisatamaansa ja sujahtaa avaruusmajakan ohi nopeudella 0.8c. Oletetaan, että aluksen keulan ollessa majakan kohdalla sekä aluksen että majakan kellot synkronoituvat näyttämään nollaa. Aluksen keulasta lähtee tällöin (valonnopeudella) signaali perässä oleville moottoreille. a) Millä hetkellä signaali saapuu moottoreihin aluksen kellon mukaan? b) Millä hetkellä signaali saapuu moottoreihin majakan kellon mukaan? c) Millä hetkellä aluksen perä ohittaa majakan majakan kellon mukaan? 4. Minkowskin diagrammi a) Tohtori Outolempi tekee laboratoriokoordinaatistossa K kokeen, jossa kaksi hiukkasta emittoituvat nopeudella v = 0.5c tapahtumasta ct = 2 m, x = 0. Toinen hiukkasista liikkuu positiivisen x-akselin ja toinen negatiivisen x-akselin suuntaan. Hiukkaset osuvat paikoissa x = ±2 m oleviin ilmaisimiin. Viiveen ct = 0.5 m jälkeen ilmaisimet lähettävät signaalit takaisin paikkaan x = 0 nopeudella v = 0.75c. Piirrä näistä Minkowskin diagrammi. b) Signaalit saapuvat paikkaan x = 0 samalla hetkellä. Tästä tohtori Outolempi päättelee, että ilmaisimet lähettivät signaalit yhtäaikaa, koska ne ovat yhtä kaukana. Selitä miksi tämä pitää paikkansa. c) Tohtori Outolemmen assistentti Jussi (K ) liikkuu negatiivisen x-akselin suuntaan nopeudella v = 0.75c laboratoriokoordinaatiston K suhteen. Piirrä Jussin aika-avaruus-akselit edellä piirtämääsi Minkowskin diagrammiin. Lähettävätkö ilmaisimet signaalin samaan aikaan Jussin mielestä? Jos ei, niin kumpi signaali lähtee ensin?

5 763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 4 1. Valoa nopeampi liike a) Viivasuora aaltorintama tulee niin ikään viivasuoralle rantaviivalle nopeudella v = 10 m/s siten, että sen etenemissuunta on kulmassa θ rantaviivan normaaliin nähden. Millä nopeudella piste missä aallonharja saavuttaa rantaviivan liikkuu rantaviivaa pitkin. Miten tämä riippuu kulmasta θ? Voiko näin siirtää tietoa valoa nopeammin? b) Sinulla on laserpointteri jonka suuntaat kohti kuuta, etäisyys km. Heilutat pointteria kulmanopeudella dθ/dt = 3 rad/s. Millä nopeudella valopiste liikkuu kuun pinnalla? (Oleta kuun pinta kohtisuoraan valon kulkusuuntaa vastaan.) 2. Tapahtumaparit Tarkastellaan seuraavia tapahtumapareja A,B: a) ct A = 0, x A = 0, y A = 0, z A = 0; ct B = 4, x B = 3, y B = 2, z B = 1 b) ct A = 1, x A = 1, y A = 1, z A = 1; ct B = 3, x B = 3, y B = 2, z B = 1 c) ct A = 2, x A = 4, y A = 2, z A = 2; ct B = 3, x B = 0, y B = 1, z B = 2 Laske näille tapahtumille s 2. Kumpi seuraavista pitää paikkansa, vai pitääkö kumpikaan: i) löytyy koordinaatisto, jossa tapahtumat A ja B ovat samanaikaisia, tai ii) löytyy koordinaatisto, jossa tapahtumilla A ja B on sama paikka. 3. Kaksosparadoksi Kaksosista K jää maahan ja L lähtee avaruusaluksella Maasta kohti Alfa Centauria, jonka etäisyys on 4 valovuotta, ja L kulkee koko matkan tasaisella nopeudella 4 c. Saavuttuaan perille L kääntyy takaisin ja matkaa välittömästi 5 kohti Maata samalla tasaisella nopeudella. Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi että kiihtyvyys on niin suuri että lähtökiihdytykseen, käännökseen ja loppujarrutukseen käytetty aika voidaan jättää huomiotta. a) Kuinka kauan K:n mielestä kuluu yhdensuuntaiseen matkaan? b) Kuinka kauan L:n mielestä kuluu yhdensuuntaiseen matkaan? c) Mikä on kaksosten ikäero kun he kohtaavat jälleen. d) Kuinka paljon K on vanhentunut (matkan alusta laskettuna) L:n lepokoordinaatiston mukaan juuri ennen kuin L aloittaa kääntymisen? e) Tarkastellaan K:ta L:n lepokoordinaatistossa juuri ennen käännöstä ja heti sen jälkeen. Kuinka paljon K vanhenee L:n koordinaatiston mukaan käännöksen aikana? (Vihje: Helpoiten tulokset saa soveltamalla ajan venymäkaavaa kohdissa b, c ja d.) KÄÄNNÄ!

6 4. Tikapuuparadoksi (tässä Lada tikapuiden tilalla) Igor ajaa 4 m pitkän Ladansa vakionopeudella 0.8c autotalliin, jonka pituus on 3 metriä. Igorin serkku Nikolai seisoo autotallin ovella. a) Kuinka pitkä Igorin Lada on autotallia lähestyessään Nikolain mielestä? b) Kun Lada on kokonaan tallissa Nikolai sulkee tallin ovet. Minkä ajan kuluttua ovien sulkemisesta Ladan keula osuu tallin takaseinään Nikolai näkökulmasta? c) Kuinka pitkä on autotalli Igorin mielestä? Entä Lada? d) Miten selität sen että Nikolain mielestä Lada mahtuu ehjänä talliin mutta ei Igorin? Piirrä tapahtumasta aika-avaruusdiagrammi mihin merkitset tapahtumat (A) Ladan keula tulee talliin sisään, (B) ovet suljetaan, (C) törmäyshetki sekä törmäyshetken kanssa samanaikaiset tapahtumat Nikolain ja Igorin mielestä. e) Mihin saakka pystyt päättelemään Ladan takapuskurin maailmanviivan edellä annetuilla tiedoilla?

7 763105P Johdatus suhteellisuusteoriaan 1 Kevät 2013 Harjoitus 5 1. Aberraatio suhteellisuusteoriassa Kaukainen tähti näkyy K:lle kulmassa θ laskettuna K :n kulkusuunnasta. Käyttäen nopeuden Lorentz-muunnosta valolle ( u = c) osoita, että nopeudella v (K:n suhteen) liikkuva K näkee tähden kulmassa θ, missä tan θ = c sin θ 1 v 2 /c 2. (8) v + c cos θ (a) y u (b) y' u' K θ x K' θ' Osoita kaavan (8) perusteella, että suoraan maan rataa kohtisuorassa suunnassa olevan tähden (θ = π/2) aberraattiokulmalle α = θ θ saadaan luennolla esitetty tulos α v/c 10 4 rad, kun käytetään hyväksi tietoa että maan nopeus v 30 km/s c. 2. Vakiovoima Oletetaan että aluksi paikallaan olevaan kappaleeseen (lepomassa m) alkaa hetkellä t = 0 vaikuttaa vakiovoima f. Osoita että hiukkasen nopeus on luennolla mainitun kaavan u(t) = x' 1 (m/ft) 2 + 1/c 2 (9) mukainen. Päättele tästä että hiukkasen etenemä matka on ( ) x(t) = mc2 2 ft (10) f mc Osoita että tämä yhtyy tulokseen, joka saadaan Newtonin teorialla kun t on pieni. 3. Liikemassan mittaus a) Synkrotroni on hiukkaskiihdytin missä varattu hiukkanen kulkee ympyrärataa. Tarvittavan keskeiskiihtyvyyden saa aikaan Lorentz-voima f = qvb missä B on ratatasoa vastaan kohtisuora magneettikenttä, v hiukkasen nopeus ja q hiukkasen varaus. Määritä magneettikenttä B mikä tarvitaan pitämään hiukkanen radalla jonka säde on r. Piirrä riippuvuus B(v) kun säde r on vakio. Millainen riippuvuus olisi jos suhteellisuusteorian sijasta olisi käytetty Newtonin mekaniikkaa?

8 b) CERNin LHC-kiihdyttimessä protonin maksimienergia on MeV. Mikä on tällöin hiukkasen nopeus? (Protonin lepoenergia on 939 MeV.) Kuinka paljon suurempi magneettikenttä tarvitaan verrattuna Newtonin teorian mukaiseen tulokseen samalla hiukkasnopeudella? 4. Energian ja massan ekvivalenssi Verrataan kahta tapausta: 1) elektroni ja protoni ovat sitoutuneet vetyatomiksi, joka on perustilassaan ja levossa, tai 2) elektroni ja protoni ovat levossa ja kaukana toisistaan. Näiden kahden tilan energiaero eli vetyatomin sidosenergia on sama kuin Rydbergin energia R E = m e e 4 /32π 2 ɛ 2 0 h 2 = 13.6 ev. a) Kuinka paljon vetyatomi on kevyempi kuin erilliset elektroni ja protoni yhteensä? b) Elektronin keskimääräinen kineettinen energia vetyatomissa on myös R E. (Protonin kineettinen energia on mitätön.) Mikä on sillon potentiaalienergia vetyatomissa? (Vastaus: E pot = 27.2 ev.) Koska se on negatiivinen, on syytä ihmetellä onko siihen sitoutunut negatiivinen massa. c) Edellisen kohdan ongelmaa voidaan selvittää toteamalla, että elektroni on varattu hiukkanen. Siksi siihen liittyy aina sähkökentän energia, ts. ainakin osa elektronin lepoenergiasta aiheutuu sen sähkömagneettisesta kentästä. (Lisäksi elektronilla voi olla jokin sisäinen massa, mutta kukaan ei tiedä sen suuruutta.) Sama pätee protoniin. Mitä silloin voit sanoa sähkömagneettiseen kenttään sitoutuneesta massasta edellä mainituissa tapauksissa 1 ja 2?